Integration of mechanical design and user experience: a constant-force, spring based, fitness machine

In this thesis, I will first examine the historical and mechanical foundations of strength training equipment, with particular attention to the dominance of mass-based resistance systems. I will then analyse the functional and experiential limitations of spring-based prototypes and define the design and engineering objectives that guided the project. The core of the work will focus on the development of a constant-force spring resistance architecture, integrating mechanical transmission systems, gear ratios, pulley configurations, and structural constraints into a coherent and feasible product model. A significant part of the development involved direct dialogue with a spring manufacturing engineer, through which the most suitable constant-force spring configuration was identified and slightly modified to our needs. Together, we evaluated force curves, material properties, durability, and scalability, addressing not only performance but also the potential for industrial mass production. This collaboration expanded the project beyond a conceptual exercise, grounding it in real n real life a possible future. Furthermore, the research extended to the analysis of products and systems that employ similar resistance principles in diverse fields, including storage mechanisms, display systems, industrial production equipment, sports vehicles, bicycles, and fitness machines. Studying these applications allowed the identification of transferable mechanical strategies (with possible implementations) and reinforced the versatility of constant-force systems across different domains.

In questa tesi esaminerò innanzitutto le basi storiche e meccaniche delle attrezzature per l’allenamento della forza, con particolare attenzione alla predominanza dei sistemi di resistenza basati sulla massa. Analizzerò poi le limitazioni funzionali ed esperienziali dei prototipi basati su molle e definirò gli obiettivi progettuali e ingegneristici che hanno guidato lo sviluppo del progetto. Il nucleo del lavoro si concentrerà sulla progettazione di un’architettura di resistenza basata su molle a forza costante, integrando sistemi di trasmissione meccanica, rapporti di trasmissione, configurazioni a puleggia e vincoli strutturali in un modello di prodotto coerente e tecnicamente realizzabile. Una parte significativa dello sviluppo ha previsto un confronto diretto con un ingegnere specializzato nella produzione di molle, attraverso il quale è stata individuata la configurazione di molla a forza costante più adatta e successivamente adattata alle nostre esigenze. Insieme abbiamo valutato curve di forza, proprietà dei materiali, durabilità e scalabilità, affrontando non solo le prestazioni ma anche il potenziale di produzione industriale su larga scala. Questa collaborazione ha ampliato il progetto oltre la dimensione puramente concettuale, radicandolo in una possibile applicazione reale e futura. Inoltre, la ricerca si è estesa all’analisi di prodotti e sistemi che impiegano principi di resistenza simili in ambiti differenti, tra cui meccanismi di stoccaggio, sistemi espositivi, macchinari per la produzione industriale, veicoli sportivi, biciclette e macchine fitness. Lo studio di queste applicazioni ha consentito di individuare strategie meccaniche trasferibili (con possibili implementazioni) e ha rafforzato la versatilità dei sistemi a forza costante in diversi settori.